Introduction

Une grande partie de notre travail de thèse a consisté à mettre au point des outils technologiques pour manipuler spatialement des biomolécules ou des nano-objets. Ces développements ont été réalisés au sein de la centrale de fabrication du LAAS, qui bénéficie d’une expertise reconnue depuis 40 ans en fabrication de composants/systèmes intégrés sur silicium. Nous proposons d’aborder ce travail dans ce chapitre. Avant de rentrer dans le corps du manuscrit, il est important de noter que le travail de fabrication de microsystèmes fluidiques est fondé sur des procédés de microfabrication (photolithographie, gravure, croissance et dépôt de films, assemblage…) bien établis au LAAS. Notre contribution est donc d’avoir su «mettre en musique» ces méthodes pour obtenir les structures répondant à nos spécifications. Ce travail sera donc décrit brièvement, selon les grandes lignes méthodologiques.

En revanche, la nanofluidique constitue une thématique de recherche nouvelle au LAAS. Elle est fondée sur les techniques de nanofabrication et de nanostructuration, qui ont connu un essor remarquable ces dernières années à la fois grâce aux efforts menés par l’industrie de la microélectronique pour poursuivre la réduction en taille des composants, mais également par la recherche en amont pour la compréhension de la matière aux échelles nanométriques. Au cours de cette thèse, nous avons mis au point pour la première fois des recettes et des protocoles simples et reproductibles pour fabriquer des structures nanométriques, mais nous nous sommes aussi appuyés sur des procédés établis pour d’autres projets. Ce travail nous a demandé un soin tout particulier, et nous décrirons en détails les résultats que nous avons obtenus dans ce cadre.

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2. Fabrication de moules de micro-impression

2.1Spécifications sur la dimension des structures

Nous avons voulu développer une technologie de texturation de gels hydrophiles fondée sur les techniques de micromoulage. Le moule est imprimé dans un substrat de silicium, et il présente des motifs de différentes formes et tailles selon une gamme variant entre 10-100 µm en largeur et 5-30 µm en profondeur (Fig. II.1). Ces motifs ont été imprimés suivant des formes en V, c'est-à-dire des flancs lisses (Fig. II.1a), ou en U selon un creuset plus ou moins régulier (Fig. II.1b).

Figure II.1 : Schéma des motifs en forme de V et U, et spécification de leurs dimensions.

2.2Procédé de fabrication

Le cahier des charges nécessite de recourir à un procédé de fabrication à deux étapes avec une photolithographie optique conventionnelle et une gravure. Le masque de photolithographie a été conçu au sein de la salle blanche du LAAS, et il comporte une banque de motifs géométriques simples sous la forme de lignes droites ou tortueuses, de lignes discontinues, de carrés, et, de manière plus exotique, de lettres ou un motif en «œil » (Fig. II.2).

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Figure II.2 : Images de moules imprimés dans le silicium pour le procédé de texturation d’hydrogels.

Le procédé commence par une enduction de résine photosensible (AZ1505), puis la couche de résine est insolée à travers le masque (procédé standard spécifié par le fabricant). Certaines régions du substrat sont alors exposées, et d’autres protégées, ce qui permet de transférer les motifs de la résine vers le silicium (Fig. II.3.a-b). Deux stratégies ont ensuite été envisagées pour graver le silicium dans les régions déprotégées.

Nous avons d’une part réalisé une gravure humide avec de la potasse concentrée et à chaud (90°C). La gravure du silicium est alors anisotrope du fait de la sélectivité d’attaque chimique sur certains plans cristallographiques du silicium (la gravure selon le plan <111> est très lente). En utilisant un substrat de silicium <100> et en orientant correctement les motifs sur le substrat, nous avons ainsi réalisé les trous en forme de V dont l’angle de base est 54° ((Hajjoul, Mathon et al. 2011), Fig II.3d). Le temps total de traitement du silicium dans le bain de potasse est fixé à 15 minutes.

D’autre part, nous avons effectué une gravure sèche par plasma réactif avec les gaz CF4 et SF6 et un bâti de gravure TEPLA 300, qui attaque le silicium de manière

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plutôt isotrope, ce qui se traduit par la formation de motifs en forme de U, c'est-à-dire avec des flancs latéraux courbés.

Les structures ainsi obtenues ont été observées par microscopie électronique à balayage (MEB) et par profilométrie mécanique (Fig. II.2), ce qui nous a permis de vérifier que les moules étaient conformes à nos spécifications.

Figure II.3 : La figure présente les étapes de fabrication des moules en forme de V sur silicium. (a) Le procédé commence par une étape de photolithographie sur la résine AZ 1505

(0.5 µm d’épaisseur) pour protéger et ouvrir des régions précises du substrat en silicium (b). La plaquette est ensuite immergée dans un bain de potasse concentrée, ce qui permet de graver le silicium suivant les plans cristallins du substrat (c). Enfin la résine est éliminée par

rinçage à l’acétone (d).

2.3Revêtement des surfaces

Nous avons ensuite testé plusieurs états de surface pour assurer un moulage reproductible des structures imprimées dans le silicium. Les résultats obtenus avec du silicium oxydé n’ont pas été suffisamment reproductible au moment de l’étape de démoulage des gels qui était souvent difficile à effectuer. Les meilleurs résultats ont été obtenus en évaporant une couche d’or de 100 nm sur le silicium (avec une couche

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d’accroche de titane de 20 nm). Les surfaces d’or sont hydrophiles dès lors qu’elles sont fraichement activées avec un mélange oxydant, comme le piranha (50% H2O2 + 50% H2SO4), et ce traitement était effectué tous les jours avant les expériences.

3. Procédés de fabrication de nanostructures

Contrairement aux méthodes de microfabrication dont on vient de voir un exemple dans le paragraphe précédent, les technologies de nanofabrication dédiées à la réalisation de motifs de l’ordre de 100 nm ou moins sont souvent lourdes à mettre en œuvre, et peu diffusées dans la communauté scientifique internationale. Il est à noter que selon Georges Whitesides (Whitesides 2011), ces deux problèmes expliquent le faible développement de la nanofluidique au niveau international, comparativement au développement fulgurant qu’a connu la microfluidique au cours de ces quinze dernières années. Dans ce contexte, nous avons envisagé plusieurs solutions méthodologiques, avec, d’une part, des outils bien maîtrisées au LAAS comme la photolithographie par projection et la lithographie électronique (nous avons été les premiers au laboratoire à mettre en musique ces procédés pour des applications de nanofluidique) ; et, d’autre part, une stratégie de nanofabrication inspirée de travaux de l’équipe de G. Whitesides de 1997 (Rogers, Paul et al. 1997), qui présente l’avantage d’être réalisée avec des appareils de photolithographie classique, donc développable dans un grand nombre de laboratoires. Dans cette partie, nous souhaitons évoquer les résultats obtenus avec nos différentes approches, et comparer leurs performances respectives.

Notons que toutes ces techniques permettent d’imprimer une résine avec des motifs nanométriques, qui sert ensuite de masque lors d’une étape de gravure sèche par plasma. Les étapes de gravure ont été essentiellement effectuées avec le bâti STS du LAAS avec le programme RIEAN-O2 et en gravant pendant 18 s pour une profondeur de transfert de ~200 nm.

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3.1Lithographie électronique

3.1.1 Principe

Figure II.4: schéma de principe d’un équipement de lithographie électronique à balayage. Dessin tiré de (Fontana, Katine et al. 2002)

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La lithographie électronique à balayage est la technologie de nanofabrication la plus répandue, car elle atteint des résolutions spatiales extrêmement fines (Fontana, Katine et al. 2002). Cependant, son mode d’écriture (exposition point par point) en fait une technologie très lente, et l’utilisation d’un faisceau d’électrons focalisés requiert un équipement particulièrement lourd et coûteux. Brièvement, un masqueur électronique est composé d’un canon à électrons, de lentilles de condensation (magnétiques), destinées à focaliser, mettre en forme et aligner le faisceau, une plateforme mécanique contrôlée par interférométrie laser, pour déplacer l’échantillon et venir le placer sous le faisceau électronique avec la plus grande précision possible (quelques nanomètres), un modulateur d’intensité du faisceau, et une lentille finale servant à réduire la taille du faisceau et le défléchir le long d’un chemin prédéfini. Enfin, un ordinateur contrôle l’équipement. La figure II.4 schématise les principaux éléments constituant un équipement de lithographie électronique à balayage.

L’exposition vectorielle du faisceau se distingue de l’écriture parallèle des équipements de photolithographie standards. Les champs d’exposition classiques de ces équipements n’excèdent pas le mm², ce qui s’avère relativement petit pour la réalisation de dispositifs micro-nanofluidique (Araki, Aydil et al. 2010). La réalisation de motifs nanométriques sur de grandes surfaces impose donc une technologie de « step-and-repeat », c'est-à-dire l’écriture d’une succession de champs.

3.1.2 Procédé

Le procédé commence par la préparation du substrat en silicium, qui est une étape importante dans la mesure où les impuretés résiduelles interfèrent très fortement avec la réalisation de motifs nanométriques. Nous avons donc effectué un double nettoyage au trichloro-éthylène chaud (5 min à 60°C), suivi d’un rinçage dans un bain d’acétone, d’un rinçage final à l’eau dé-ionisée (EDI), et finalement d’une déshydratation pendant 20 min à 200°C.

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Nous avons ensuite enduit sur le substrat une solution de PMMA (30 g/L) en déposant 6 mL de PMMA sur une plaquette de 10 cm, puis en tournant à 3000 tr/min (5000 tr/min²) pendant 30s. L’épaisseur de la couche de PMMA est de 150 nm selon une mesure de profilométrie mécanique.

Afin d’optimiser le taux d’exposition électronique sur la taille des motifs, nous avons testé plusieurs doses dans la gamme 165-390 µC/cm². De même, la taille d’un champ pour l’écriture électronique est connue pour changer la taille des motifs finalement obtenus. Aussi, nous avons exposé des motifs avec des champs de 125x125 µm² (ce qui nous permet de réaliser des canaux de 125 µm de longueur), et des champs de 400x400 µm² (pour les canaux de longueur 325 et 530 µm). L’espacement entre deux nanocanaux est fixé à 5 µm.

Pour compléter ces tests, différentes largeurs de nanocanaux ont été envisagées : 60, 80, 100 et 120 nm pour les champs de 125 x 125 µm ; puis 100, 120, 140 et 160 nm pour des de 400 x 400 µm. Le schéma II.5 résume les différentes expériences d’insolation qui ont été réalisées.

La dernière étape du procédé consiste à révéler la résine en PMMA, et elle a été effectuée en immergeant le substrat pendant 45 s dans un mélange MBK/Isopropanol (proportion 1/3), suivi d’un rinçage de 45 s dans un bain d’isopropanol pur suivi d’un séchage direct à l’azote.

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Figure II.5 : Schéma récapitulatif des largeurs et tailles de champ testées pendant la lithographie électronique

3.1.3 Résultats expérimentaux

Influence de la dose d’insolation : Les deux principales conclusions sont que la largeur des motifs augmente avec la dose d’insolation, ce qui est attendu, et que le profil des canaux est moins « dentelé » avec une dose d’insolation plus importante (Figure II.6). Espacement 100 µm (champ 125 x 125 µm) Espacement 100 µm (champ 125 x 125 µm) Espacement 300 µm (champ 400 x 400 µm) Espacement 500 µm (champ 400 x 400 µm) l = 120 nm l = 160 nm l = 180 nm l = 200 nm l = 100 nm l = 120 nm l = 140 nm l = 160 nm l = 60 nm l = 80 nm l = 100 nm l = 100 nm l = 60 nm _{l = 80 nm} l = 140 nm l = 120 nm

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Figure II.6 : Influence de la dose d’insolation sur les largeurs et profils des nanocanaux codés à 100 nm observée au MEB au grossissement 45000. Les fenêtres

1-4 représentent les motifs obtenus après insolation à la dose 165, 200, 250 et 300 µC/cm².

Comparaison entre les champs : Il apparaît que, pour une même largeur codée de

nanocanal, et une même dose d’insolation, le profil est plus « dentelé » pour un

champ de 400x400 µm² que pour un champ de 125x125 µm² (Figure II.7).

Figure II.7 : Influence de la taille du champ sur le profil des nanocanaux codés à 120 nm observée au MEB au grossissement 45000. (gauche) Canal insolé à la dose 250 µC/cm² pour

un champ de 400x400 µm². (droite) Canal insolé à la dose 250 µC/cm² pour un champ de 125x125 µm².

1

4 3

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Raccords de champ : Les raccords de champ sur les canaux de 530 µm de longueur

ont été testés en insolant avec des champs de 400x400 µm² ainsi qu’avec des champs de 125x125 µm². Dans les deux cas cependant, le résultat n’est pas satisfaisant, et bien que le raccord ait lieu, le rétrécissement engendré s’avère important, ce qui complique les expériences en milieu liquide (Figure II.8).

Figure II.8 : Raccords de champ observés au MEB pour deux tailles de champ différentes. (gauche) : raccord de champ au grossissement x15000 pour un champ d’insolation de 400x400 µm². (droite) : raccord de champ au grossissement x10000

pour un champ d’insolation de 125x125 µm².

3.1.4 Conclusions sur la lithographie électronique

En vue de la réalisation d’une insolation « fonctionnelle », nous visons des motifs de largeur comprise entre 100 et 200 nm. L’optimisation du profil des canaux nécessite de coder des canaux à des dimensions inférieures en les insolant à une dose de 385 µC/cm². Enfin, en ce qui concerne le problème des raccords de champ, nous pouvons raisonnablement viser des nanocanaux de 300 µm de longueur.

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3.2Lithographie par projection

3.2.1 Principe

La lithographie optique conventionnelle, qui consiste à plaquer un masque sur un substrat enduit de résine, trouve ses limites à une échelle de taille de l’ordre de ~2 µm. Pour parvenir à de meilleures performances, il a été proposé d’utiliser un système optique réducteur pour focaliser un faisceau et diminuer la taille des motifs imprimés sur la résine, c’est la lithographie par projection, dont le principe est illustré dans la

Figure II.9. Nous disposons au LAAS d’un aligneur par projection CANON 3000i4 avec un module de réduction 5X. La limite théorique de résolution est donc 1/5 de la résolution du réticule, en l’occurrence 350 nm.

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La lithographie par projection est une technique d’écriture parallèle, mais les champs d’insolation mesurent de l’ordre de quelques cm². Il faut donc répéter les insolations pour couvrir une plaquette de silicium de 10 cm de diamètre, ce qui est géré par la machine.

3.2.2 Procédé

Nous avons développé un procédé utilisant la résine PFI (Sumitomo) d’épaisseur 1 µm afin de générer des réseaux linéaires de dimension latérale variant entre 200-800 nm (imprimé avec un grossissement 5X sur le masque, i.e. 1-4 µm). Le wafer en silicium est nettoyé avec le mélange sulfo-chromique pendant 5 minutes, puis rincé à l’eau et séché à 200°C pendant 20 minutes. La surface est alors traitée avec un silane (HexaMethylDiSiloxane) pour favoriser l’accroche de la résine. L’enduction de résine a été réalisée en tournant à 3500 tr/min pendant 30 s, et l’épaisseur finale est de 1,05 µm. Un pré-recuit à 90°C pendant 60 s est nécessaire pour obtenir des flancs verticaux dans la résine. La plaque est ensuite insolée sous UV avec une dose optimisée à 2400 mJ/cm², suivi par un post-recuit à 110°C pendant 60 s. La résine est enfin révélée avec une solution spécifique commerciale pendant 40 s.

3.2.3 Résultats expérimentaux

Cette technologie s’est révélée prometteuse pour la fabrication de nanocanaux de plus de 300 nm de section (Figure II.10). Les nombreux tests menés ont montré l’importance des réglages d’alignement sur cette machine, qui doivent être calibrés tous les jours. Au final, ce procédé d’impression rapide nous permet de couvrir la gamme spatiale comprise entre 300 nm et 1 µm.

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Figure II.10: Réseaux de nanocanaux obtenus par lithographie par projection, et leur raccord avec des structures microfluidiques.

3.2.4 Conclusions sur la lithographie par projection

Cette technique est rapide, le procédé parallèle, et l’appareil est accessible en salle blanche au LAAS. Toutefois elle est adaptée à la réalisation de nanocanaux plus large que 300 nm, ce qui correspond à un régime relativement peu intéressant pour la manipulation d’ADN en nanocanaux (voir chapitre I).

3.3Photolithographie par contraste de phase avec le PDMS

Contrairement aux deux technologies précédentes, la lithographie par contraste de phase avec le PDMS n’a jamais été mise au point au LAAS, et nous avons effectué ce travail original au cours de cette thèse. Cette technique a été proposée au départ par le groupe de G. W. Whitesides (Rogers, Paul et al. 1997; Xia and Whitesides 1998; Lee, Jeon et al. 2005), qui fournit régulièrement de nouvelles idées pour la nanofabrication. L’idée d’appliquer la photolithographie par contraste de phase pour la réalisation de dispositifs nanofluidiques est nouvelle et a fait l’objet d’une publication (Viero, He et al. 2011).

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3.3.1 Principe

Figure II.11: Ce schéma synthétise le principe de fonctionnement de la lithographie par décalage de phase, en précisant les dimensions du masque en PDMS que nous avons utilisées,

ainsi que les épaisseurs de résine.

La lithographie à contraste de phase à base de PDMS repose sur la fabrication d’un masque à contraste de phase, qui est un morceau de PDMS imprimé de micro-canaux de 3-10 µm de large et ~500 nm de hauteur. Ce masque est obtenu par photolithographie conventionnelle de résine AZ1505 (500 nm de hauteur en procédé standard), et par micro-moulage de lignes de résine avec du PDMS. Le masque à contraste de phase est ensuite déposé sur une résine photosensible déposée sur un substrat. Lorsqu’un éclairage parallèle est appliqué à travers le masque, les rayons traversant l’air ou le PDMS sont décalés en phase (Figure II.11), ce décalage étant proportionnel à la hauteur de la marche et à la différence d’indice entre l’air et le PDMS. La différence de marche peut introduire des interférences destructives lorsque la condition suivante est réalisée :

ℎ=₂^{𝑖𝑖 ∙ 𝜆𝜆}_{∙ ∆𝑛𝑛}

où h est la hauteur des motifs du masque, 𝜆𝜆 est la longueur d’onde de l’UV

d’insolation (~405 nm), ∆𝑛𝑛 est la différence d’indice optique entre PDMS et l’air (0.43), i = 1, 3, 5…2n+1. Ainsi, il est possible d’imprimer des motifs de taille

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inférieure à la longueur d’onde, au minimum λ/4, soit ~100 nm pour un éclairage à 400 nm. Ce procédé est applicable aux résines positives et négatives, et il ne nécessite que des appareils de photolithographie classique.

3.3.2 Procédé

Le wafer est nettoyé par mélange sulfo-chromique pendant 5 minutes, puis rincé à l’eau et séché à 200°C pendant 20 minutes. La surface est alors traitée avec silane (HMDS) pour favoriser l’accroche de la résine. Et puis une couche de résine AZ 1505 est déposée sur le wafer en tournant à 3800 tr/min (5000 tr/min²) pendant 30 s. L’épaisseur de la résine est 500 nm selon une mesure de profilométrie mécanique. Un pré cuit à 105℃ pendant 30 s est nécessaire après l’enduction. La plaque est

ensuite insolée sous UV de 30 mJ/cm² et la résine insolée est révélée dans le

révélateur spécifique pendant 20 s.

3.3.3 Résultats expérimentaux

Ce procédé s’est avéré pertinent, puisque l’on a obtenu 3 wafers fonctionnels dédiés à la réplication de systèmes nanofluidiques en PDMS avec des motifs de dimensions 200 et 120 nm (Figure II.12 haut). Notons que nous avons pu réaliser des dispositifs encore plus petits avec des dimensions typiques de 80 nm, dont l’utilisation en nanofluidique s’est révélée délicate. Le procédé peut en outre être utilisé pour la réalisation de réseau de nano-plots de géométries diverses (Figure II.12 bas), en réalisant deux expositions consécutives avec le masque à contraste de phase. Ces structures ont été utilisées dans le travail de thèse de Yannick Viero pour des expériences de manipulation d’ADN autour de nanoplots (Viero, Y. et al. 2011).

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Figure II.12: (haut) Images MEB de motifs linéaires réalisés sur résine AZ-1505 par lithographie à décalage de phase. En ajustant le temps d’insolation (2.2s à gauche, 2.6s à droite), nous avons obtenu des motifs de largeur respective de 200 et 100 nm environ. (bas)

Le procédé lithographie à contraste de phase peut être répété pour produire des réseaux de points régulièrement distribués sur une surface. La géométrie de ces points est déterminée par

l’angle de rotation entre les deux orientations du masque.

3.3.4 Comparaison des trois méthodes de nanofabrication

Nous avons synthétisé les avantages et faiblesses des trois techniques de nanofabrication dans le tableau II.1. La lithographie par projection ne nous a pas été très utile pour les expériences de nanofluidique vu qu’elle permet de fabriquer des canaux plus grands que 300 nm, ce qui trop grand pour la manipulation d’ADN (Fig. I.10). A l’opposé, les meilleurs résultats ont été obtenus par lithographie électronique, mais cette méthode est délicate à mettre en œuvre. La lithographie à contraste de phase a été très pertinente pour l’avancement du projet, car elle nous a permis de réaliser des moules pour répliquer des nanocanaux en PDMS, un procédé peu répandu, mais rapide et très avantageux pour le prototypage. Au bilan, retenons donc que deux

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techniques ont été utiles à l’avancement du projet, à savoir la lithographie électronique et la lithographie à contraste de phase.

La réalisation de dispositifs nanofluidiques fonctionnels requiert un procédé d’intégration des nanocanaux dans un réseau fluidique complexe. Ce travail est décrit dans la partie suivante.

Technologies ^Largeur nanocanaux Longueur nanocanaux ^Avantages Difficultés spécifiques Statut pour le projet